我国设施生菜无土生产装备研究现状及展望.pdf

第2期贾桃等 我国设施生菜无土生产装备研究现状及展望6 7 D O I 1 0 1 3 7 3 3 j j c a m i s s n 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 2 0 2 0 1 0 我国设施生菜无土生产装备研究现状及展望 贾桃1 2 谭蓉1 赵倩1 王利春1 郭文忠1 1 北京市农林科学院智能装备技术研究中心 北京市 1 0 0 0 9 7 2 北京农学院计算机与信息工程学院 北京市 1 0 0 0 6 3 摘要 随着农业4 0的到来 物联网 机器视觉 机器制造 自动化技术等新技术在设施农业领域的应用已经成为近几年的 研究热点 农业生产也迎来装备化 无人化的发展阶段 针对我国设施生菜生产装备应用还处于发展阶段 总体生产装备 应用不广泛的现象 阐述我国设施生菜生产及其机械化管理的必要性 全面梳理从播种 种苗培育 幼苗定植 田间管理到 收获运输5个环节作业装备的应用现状 提出未来设施生菜生产装备在各环节智能控制算法 流水线作业 无人化管理 融合大数据平台等方向的发展趋势 以期为我国设施生菜生产过程智能化 无人化发展提供建议 关键词 设施生菜 智能控制 自动化 大数据 中图分类号 S 6 2 6 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 2 0 2 0 0 6 7 0 8 贾桃 谭蓉 赵倩 王利春 郭文忠 我国设施生菜无土生产装备研究现状及展望 J 中国农机化学报 2 0 2 2 4 3 2 6 7 7 4 J i a T a o T a n R o n g Z h a o Q i a n W a n g L i c h u n G u o W e n z h o n g C u r r e n t s t a t u s a n d p r o s p e c t s o f r e s e a r c h o n s o i l l e s s p r o d u c t i o n e q u i p m e n t o f f a c i l i t y l e t t u c e i n C h i n a J J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n 2 0 2 2 4 3 2 6 7 7 4 收稿日期 2 0 2 1年1 0月2 8日 修回日期 2 0 2 2年1月1 7日 基金项目 宁夏回族自治区 十三五 重点研发计划 2 0 1 9 B B F 0 2 0 1 0 第一作者 贾桃 女 1 9 9 6年生 山西朔州人 硕士研究生 研究方向为农业信息化 E m a i l 9 7 2 1 0 0 2 8 8 q q c o m 通讯作者 郭文忠 男 1 9 7 0年生 宁夏中卫人 研究员 博导 研究方向为设施蔬菜栽培与智能装备 E m a i l g u o w z n e r c i t a o r g c n 0 引言 近年来 我国蔬菜产业持续稳定发展 据 2 0 2 1中 国统计年鉴 我国蔬菜种植面积为2 1 1 0 7 h m 2 产 量为7 2 1 0 8 t 1 且市场供应充足 品种丰富 特色鲜 明 是我国优势特色种植业之一 现已逐步发展为农业 的支柱型产业 其中从欧洲地中海沿岸传入中国的生 菜 因其生长发育 营养口味等优质特点倍受消费者青 睐 该类生菜种植面积已占全国蔬菜生产面积的 1 0 在我国蔬菜生产中占有重要地位 然而传统土 壤栽培生产 存在生产效率低 劳动强度大 运输损耗 率高等问题 对生菜的生产产生不利影响 因此 为了 提高生菜的生产效率和效益 改善传统的低产量经验 化农业生产方式 尤其是大中城市群城郊建立设施生 菜的现代化生产基地 相关学者致力于推动设施生菜 生产管理及机械方面的研究 并取得了大量的研究成 果 其中 以水培为主的生菜生产 基本实现了生产过 程装备化的初步阶段 从而为设施生菜的生产装备发 展奠定了基础 本文综述了目前设施生菜无土生产各 环节装备的研究现状 然后对当前装备研究和应用存 在的问题进行分析 并在此基础上对未来发展方向进 行展望 1 设施生菜生产及其机械化管理的必要性 设施生菜生产具有生育期短 生长速度较快 植株 矮小单一 单位面积上株数多等特点 且生菜中含有丰 富的胡萝卜素 维生素 纤维素以及钙 铁 钾等微量元 素 可以满足人体所需要的营养成分 也具有减缓慢性 疾病 提高人体免疫力 延缓衰老 促进生长发育等功 能 2 现已成为农业种植与每日食谱首选 另外 由于 生菜柔嫩含水量大 易损耗 通过长途外运易造成叶菜 损耗大 新鲜程度低 品质下降 因此 我国对于生菜 的需求与日俱增 而传统的生菜生产方式效率低下 费 时费力 已经不能满足生产和市场需求 然而生菜在生产过程中 对生长环境 土壤及水肥 的要求较高 容易形成经验化农业且生产成本较高 需 要大量的劳动力 产量也不能得到保证 除此之外 生 菜种子萌发到餐桌食用的过程标准化程度高 比较容 易实现各生产环节的有效串联 并结合现代物联网技术 实现高效种植自动调度 如以下3个方面 1 各生产环 第4 3卷 第2期 2 0 2 2年2月 中国农机化学报 J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n V o l 4 3 N o 2 F e b 2 0 2 2 6 8 中国农机化学报2 0 2 2年 节作业装备 2 各环节转运装备 3 面向对象的自动 种植调度 因此 随着科技的不断发展 研究开发系列 设施生菜生产管理机械化装备和无人化作业十分必要 以此增加单位面积的栽培株数 降低劳动强度 提高产 量 实现精细化管控生菜生产 建立全新的设施生菜生 产模式和技术体系 把设施生菜年产量提高到5 0 k g m 2 以上 大幅度超过传统生菜年产量1 1 0 4 k g m 2的生产 水平 实现我国生菜生产模式颠覆性的技术革新 由此 可以看出 我国设施生菜生产装备化 智能化 无人化是 未来的发展趋势 2 设施生菜生产装备应用现状 设施生菜生产管理过程主要包含精量播种 种苗 培育 幼苗定植 田间管理 收获运输5个环节 目前 物联网 农业 的形式已被大力推行 大大提高了农 业生产力 利用各种传感器对农作物所需的温湿度 C O 2浓度 光照强度等环境因子进行实时监测与调 控 3 4 利用P L C控制器和H M I人机界面实现水肥一 体化精准控制以及生菜的采收等环节 现阶段 自动 化生产装备已经应用到每一个环节 但对应的配套生 产线作业 还在逐步研究中 2 1 精量播种 为保证种子的出苗率 要对生菜种子用温水或药 剂进行播前消毒 在种子入土过程中可能会遭到逆境 的侵袭而延缓萌发 甚至不能出苗 有的种子体积太小 或者外形无规则 不利于机械播种 为了解决这一问 题 一般会用薄膜包衣或者丸粒化技术处理种子 5 从 而提高种子质量保证苗齐苗壮 播种作为生菜生产的重要环节 其主要过程如 图1所示 其精度和效率直接影响成苗质量 因此出现 了多种自动播种装备 根据播种原理 现有的播种设备 可以大致分为机械式 气力式和磁吸式3类 因为生菜 种子无规则 粒径小的特点 故以气吸滚筒播种机应用 最为广泛 它利用真空吸附原理 依靠涡旋气泵及振 动器 通过滚筒上的吸孔吸附储种盒中的种子 当滚 筒匀速转到下方时 在正压和种子自身重力的作用下 使种子恰好落入穴盘之中 6 7 有效避免了多播漏播 平均播种精度大概在7 5 以上 在自动播种装备基础上 针对现有播种线自动化 程度低 机械结构复杂 工作协调性差 播种精度低等 问题 配合电控元器件 形成了比较典型的播种流水 线 如图2所示 可自动实现基质搅拌 发盘 上料装 基 压穴 播种 裂解 覆基 喷水等工序 8 1 0 有效提高 了作业效率与播种精度并且降低了空穴率 图1 播种流程图 F i g 1 S e e d i n g f l o w c h a r t 图2 精量播种生产线 F i g 2 P r e c i s i o n s e e d i n g p r o d u c t i o n l i n e 王晨健等 1 1 研发的新型生菜精量播种装备 依靠 两排吸嘴旋转往复运动并按顺序交替完成播种作业 由导种管实现种子降落无偏差 并完成快速精确排种 试验结果表明 播种成功率达到9 0 6 重播率为 6 7 漏播率为2 7 有效保证了排种效率 达到 了精量播种的要求 但该装备负压分流管内压强和气 流速度会影响取种效果 导致吸嘴入口处的压力大小 不稳定 容易漏播或重播 李小冉等研究的小型气力 式蔬菜精量播种机 适用于温室大棚 提高了播种机的 适应性 正负压作用排种有效解决了种子粘盘而漏播 的问题 搅拌装置的设计 有效提高了排种器的充种 率 但种子掉入种箱时 速度较大 容易产生飞弹现 象 为解决种子不规则 难吸附 排种不稳定等问题 曾山等 1 2 设计了一种气吸式小粒种精量穴播排种器 在正负压作用下 排种器性能得到了优化 但要想保 证播种效率 就必须确定排种器的合理工作压力范围 祁兵等 1 3 在气力集排式精量排种器基础上 对排种器 内部流场进行数值模拟 并结合分割实体方法 得出漏 播率维持较低水平的排种器室压力范围 进一步提升 了播种精度 综上所述 这些播种装备工作原理大致相同 均有 效解决了由于生菜种子质量轻 粒径小 形状无规则所 造成的重播率漏播率高 播种精度低 自动化控制程度 低等问题 实现了播种装备的精量化和高效化 但这 些装备中对于压强 气流速度等因素的要求严格 可能 会差生误差 2 2 种苗培育 种苗培育是生菜种子萌发成为壮苗最关键的环 节 传统的土壤育苗由于土壤未经消毒处理存在细菌 第2期贾桃等 我国设施生菜无土生产装备研究现状及展望6 9 真菌 所以根部容易发生病虫害 低效且浪费资源 目 前逐渐被穴盘育苗和潮汐式育苗 植物工厂代替 从而 实现节水节肥高效无污染 生菜的穴盘育苗一般采用 7 2孔或者1 2 8孔穴盘 基质一般使用泥炭和珍珠岩 潮汐式育苗主要是一种从底部灌溉育苗的方式 如 图3所示 能充分利用育苗容器空间 节省劳动用工 6 0 9 0 主要通过施肥机和循环管路控制元器件 让水肥在闭合系统内 零排放 循环使用 便捷高效 供 给准确性较高 显著提高了水肥利用率 也实现了自动 化管理和工厂化生产 1 4 而植物工厂如图4所示 是 通过一定的工程技术手段 对影响幼苗生长的所有环 境因素如温度 湿度 光照 C O 2以及营养液等进行高 精度自动控制 不受自然环境限制 能确保幼苗在稳 定 合理的条件下生长 从而保证幼苗的高品质 生产 能力稳定 1 5 1 7 潮汐式育苗和植物工厂育苗均可实现 产量高 周期短 速度快 污染少 效益高 并有效提高 了我国的设施利用率 前者可以实现9 0 以上的水肥 利用率 并且栽培床下没有杂草生长 可有效减少菌类 滋生 除此之外 潮汐式育苗床使用寿命较长 但是严 禁暴晒 而后者相比之下最大的优势体现在质量 其过 程无污染 无虫害也不使用农药 另外 植物工厂初始 投入和后期维护成本较高 并且耗电量巨大 很大程度 上限制了推广和使用 1 8 图3 潮汐式育苗床 F i g 3 T i d a l s e e d l i n g b e d 图4 植物工厂培育生菜 F i g 4 P l a n t f a c t o r y c u l t i v a t e s l e t t u c e 种苗培育过程中还应解决水肥光温气的耦合调 控 以此来确保幼苗的正常生长 避免弱病苗和死苗存 在的现象 其中 水肥方面主要结合水肥一体化技术 利用灌溉设备的同时 把水分 养分均匀精准且定时定 量地供给作物 环境温湿度作为最基本的重要条件 已 经从基于经验的手动控制发展到了现在的基于多源信 息融合的智能控制阶段 通过环境监测传感器等原位 生理监测传感技术 利用无线传感网络 物联网技术 并融合A I技术 结合模糊理论 遗传算法等数学工具 建立与植物生长模型相适应的精细环境控制模型 尝 试形成自适应学习的设施环境控制 大脑 2 3 幼苗定植 定植指的是将生菜苗从密集的穴盘里移植到低密 度 栽培空间较大的水培槽中继续培育 传统的人工 定植方法因为劳动强度大 生产效率低而逐渐被定植 装备所取代 由于技术要求和经济的影响 定植装备 的形式也呈现多样化 如图5和图6所示的X Y Z 型移植机和机械手臂型移植机 前者设计复杂但成本 较低 而后者设计简易但成本较高 定植装备的核心 部件 机械手 一般采用气压传动 该方式成本较低 反应灵敏 易于控制 以拾取部件分类主要有铲式和针 式两种 前者适用于小苗定植 精度高但尺寸较大 容 易对基质造成破坏 后者依靠伸缩针的倾角对基质进 行提取 能够有效避免基质块的破裂 1 9 但对控制精 细程度要求更高 图5 X Y Z型移植机 F i g 5 X Y Z t r a n s p l a n t a t i o n m a c h i n e 图6 机械手臂型移植机 F i g 6 R o b o t i c a r m t y p e t r a n s p l a n t e r 童俊华等 2 0 研究的叶菜高速稀植机构 适用于泥 炭基质育苗方式 利用所设计的针爪式多移植手进行 稀植移栽作业 可实现穴盘内成排取苗和栽培槽变间 距并行植苗作业 经过试验测得 移栽的平均效率为 7 0 中国农机化学报2 0 2 2年 3 9 5 6株 h 成功率为9 6 7 但是该装置作业部件在 碰撞过程中 容易导致钵苗基质掉落在外部或者倾斜 于内部 影响幼苗生长 王超等 2 1 研究的气动下压式 高速取苗装置 通过 有序供盘 连续送苗 气动下压取 苗 自由投苗 等作业工序 改善了取苗频率低 基质破 损等的问题 经过试验验证 其频率已经达到7 2 0 0 株 h 实现了高速取苗 同种夹取式取苗方式还有英 国的P e a r s o n自动蔬菜移栽机 2 2 将钵苗成排取出进 行定植 移栽的作业效率高达1 4 4 0 0株 h 龙新华等 研究的穴盘苗自动移栽机 苗盘进给装置用 已 字型 进行移位 实现整个过程的取苗 拔苗和投苗 经过试 验验证 该装置可以提高移栽效率 精确性可靠 但是 由于装置结构复杂 环节较多 横向和纵向位移的距离 不精准 极易差生误差 刘凯等研究的移栽机器人 用 视觉相机提供每颗苗是否满足移栽条件的触发信号 后 通过两台P L C间的逻辑控制系统对移栽机械手进 行调相和移栽作业 在挑选了符合基准幼苗的同时有 效提高了幼苗定植的精度 但该过程对秧苗输送的精 度要求较高 如出现误差会导致机械手定位不准 无法 移栽 黄林生等 2 3 研究的基于卷积神经网络的生菜 多光谱图像分割与配准 对生菜多光谱进行精准分割 结合边缘提取算法对生菜多光谱图像进行精确配准 有利于无损监测生菜生长状态和确定其采摘时期 但 在近距离采集各通道图像时 很容易产生位移偏差 以上研究均针对基质钵苗 并融合了先进的传感 器技术和自动控制技术 大幅度提高了移栽作业效率 保证了幼苗移栽的质量问题 在装备功能方面 已经 从过去单一的精准定位功能 发展到了筛选和定位的 多功能集成 但是这些装备在移送作业过程中会伴随 着变速运动 而运动过程中因为夹持力 摩擦力 冲击 力的大小改变而产生误差 很容易导致苗针夹苗不稳 钵苗基质散落 均不利于幼苗后期生长 另外 定植装 备中主要部件设计复杂 维修也很困难 2 4 田间管理 随着设施生菜种植规模的逐步扩大 田间管理成为 幼苗定植后的重要环节 旨在运用系列设施装备来提高 生菜的生长质量与抗病能力 传统的管理模式以经验 农业为主 难以及时监测生菜生长信息 目前设施生菜 的栽培模式在不断地完善 田间管理也采用系统模块化 的设计 运行性能稳定 依据各传感器的数据对生菜生 长的环境 温湿度 辐射等因素进行精准调控 有效控制 了生菜生产过程中的水肥光温气问题 保证生菜能够吸 收充足的水分和养分 提高抵抗力 从而减少病虫害的 入侵 从根本上提高了设施生菜的质量问题 我国对设施生菜的立体栽培模式进行了大量的研 究 如墙体栽培 立柱式栽培和三层栽培架的使用 如 图7所示 这些栽培模式保证了生菜的种植密度 同 时 有效提高了单位面积产出率和空间利用效率 节约 了土地资源 且操作过程简单 减轻了劳动力强度 2 4 对产品经济效益具有重要意义 但是上述普通立体栽 培模式受光照影响较大 上层光照条件充足而下层被 遮挡 造成各层光照分布不均匀 容易产生叶片遮光现 象和光照不充足的情况 从而 导致产量差异较为明 显 因此 相关研究提出一种立体错位栽培模式 如图 8所示 这种模式将栽培槽按照上下左右不同的间距 分层放置 可以充分提高生菜生产的光照利用率 图7 栽培架 F i g 7 C u l t i v a t i o n r a c k 图8 立体错位栽培 F i g 8 T h r e e d i m e n s i o n a l d i s l o c a t i o n c u l t i v a t i o n 病虫害防治是田间管理的关键环节 主要以化学 方法为主 传统喷洒农药方式频率高 剂量大 容易造 成农药污染 而我国的智能精准喷药装备正在逐步发 展中 现阶段一般采用喷雾机器人装备结合传感器技 术和导航技术来根据规划好的路径引导施药 然后根 据设施生菜作物的大小以及稠密程度进行变速喷雾达 到按需喷药 同时实现机器人的自由行走 杨征鹤 等 2 5 研究的对靶喷雾机器人能够及时发现病虫害 找 到病虫害发生的位置 实现对靶精准喷药 靳文停 等 2 6 研究的履带式喷药机器人 以单片机为核心 利 用履带底盘 搅拌机自主摄像头等原件结合光电传感 器 避障传感器实现温室内喷药作业 目前病虫害的 防治与机器视觉不断融合 有效提高了病虫害的识别 效率和准确性 水肥调控是田间管理的基础环节 主要采用单片 机或可编程控制器等作为C P U 配合模拟量采集单元 和液位 流量 E C p H等传感器 2 7 实时监测生菜生 长动态 并结合作物生长发育规律和水分养分吸收特 第2期贾桃等 我国设施生菜无土生产装备研究现状及展望7 1 征 控制外围施肥机 以持续为作物提供最佳生长环 境 即利用水肥一体化装备 如图9所示 实现水肥的 按需供给 国外的水肥一体化装备 如以色列的耐特 菲姆N e t B e a t和荷兰的p r i v a施肥机等 集成度高 体 系性强 其产品已非常成熟且形成产业并对外出口 我国的水肥一体化装备虽然起步较晚 但经过几年的 快速发展 已经基本上摆脱了对进口设备的依赖 不论 是首部装备还是控制策略 均取得了较大的进展 2 8 并针对不同作物进行了大量需水规律或灌溉方法试 验 初步形成了符合我国气候特征的智能灌溉方法 图9 全自动水肥一体化设备 F i g 9 F u l l a u t o m a t i c w a t e r f e r t i l i z e r i n t e g r a t i o n e q u i p m e n t 其中 国内一些公司开发生产的滴灌系列 管道管 件 过滤系列等高效灌溉产品 保证了水肥一体化首部 和末端的稳定性 中国农业机械化研究院研制的2 0 0 0 型温室自动灌溉施肥系统 天津市水利科学研究所研 制的F I C S 1和F I C S 2型滴灌施肥智能化控制系 统等进一步推动了我国水肥一体化设备的开发和推 广 北京市农林科学院智能装备技术研究中心开发的 水肥一体化装备集成了物联网技术 信息传感技术和 控制技术 2 9 3 0 运行稳定 应用效果明显 用少量多次 的水肥耦合供液模式代替了传统大水大肥的管控方 式 解放了劳动力 减少了水分渗漏 有效解决了水肥 管理智能化水平低 水肥不协调以及水肥利用效率低 下的问题 2 5 收获运输 生菜的收获过程一般包括拔取 输送 切根 剥叶 装箱等环节 3 1 自动化收获不仅速度更快 而且有利 于提升蔬菜的保鲜质量 能够切断各个途径的污染 减 少病菌传播等 剑桥大学研发的自主生菜采摘机器人 如图1 0所示 能够自主识别和收获生菜 融入机器学 习的算法训练 在天气不定的情况下也能识别健康的 生菜 但是 针对精确定位采摘的发力点和生菜的健 康度识别一直都是一个巨大的挑战 仍需要不断研究 我国目前对于生菜采收领域的自动化装置也正在 逐步研究中 徐鹏等 3 2 设计的水培叶菜收获机 利用 往复式移动装置 限位装置 转运装置和旋转切刀实现 水培叶菜的切割 采用轨道移动式收获机和输送带相 结合的方式进行采收 试验结果表明 当叶菜株距为 0 2 m 收获生产效率为3 0 s 棵时 收获成功率为 8 6 7 有效提升了收获成功率 但如果叶菜行发生 位置偏移时 作业效果将会产生偏差 繆鹏等设计的 收获机控制系统 利用对行探测机构迅速检测 并调整 偏转角度 实现自动对行 经过试验 作业效果良好 吴伟等 3 3 设计了一种基于物联网的中小型采收平台 主要完成菜类的采摘和切根等操作 成功率均达到 8 0 以上 但仍采用定时间间隔运行的模式 不能进行 自动识别收获 莫浩 3 4 研究的水培奶油生菜装置 利 用P L C检测定植板的输入 就位后用切根装置迅速完 成切根操作 然后用单气缸进行生菜的拔取搬运动作 该装置经过试验 切根成功率为8 2 搬运成功率为 8 5 但是该装置不能保证定植板是否成功到达指定 位置 可能会造成切根不合格 除此之外 由于剪切刀 具刀刃长短不适 也会产生影响 图10 自主式生菜采摘机器人 F i g 1 0 A u t o n o m o u s l e t t u c e p i c k i n g r o b o t 除此之外 生菜运输存储过程中因叶片柔嫩且含 水量大 容易受损腐烂 因此 生菜的保鲜和溯源问题 尤为重要 对生菜进行包装 并提供高湿和气调环境 可以有效保持生菜的新鲜程度 徐灿 3 5 研究的水培 生菜自动包装装置样机 选择包装盒 薄膜相结合的包 装方案 动作基本由单片机控制 包装盒进入输送带 后 到达目标位置 进行封膜 该装置经过试验验证 包装成功率达到9 2 可以有效减少生菜运输过程中 的损伤 提高水培生菜的商品价值 但是由于拉伸力 大小和刀刃长度无法精确把握 可能会导致切膜 拉膜 失败 姜含露等设计的叶菜溯源系统 搭建了生产信 息管理 在线监测模块 仓库销售管理和系统管理 实 现了从生产到销售的信息覆盖 并结合Z i g B e e模块构 建R F I D组网环境 对叶菜的存储进行了质量监督 实 现了运输的溯源管理 3 设施生菜生产装备存在的问题 设施生菜生产管理装备正在经历着从机械化到自 动化 信息化 智能化的变革 我国是世界农机制造和 使用大国 全国农作物耕种收综合机械化率超过 7 1 但是农业装备行业整体大而不强 装备总量高 但智能化水平低 装备作业量大 但智能作业量少 本 7 2 中国农机化学报2 0 2 2年 文分析了设施生菜生产各环节现有的机械装备 目前 仍存在以下问题需要重点关注和解决 3 1 农机与农艺不相融 我国耕地面积较大 分布范围广泛 每个地区在农 业生产中 装备参数不同 互相独立 很难形成统一的 标准 3 6 导致部分装备无法大范围推广应用 其中针 对设施生菜很多装备 应用范围也存在一定的差异性 大部分装备适用于大田或大棚等环境 但却不适合设 施水培环境 这主要源于对农机农艺结合工作缺乏基 本的认识与沟通 农艺部门仅将产量作为工作重点 而 农机技术将有机械生产代替人工劳作 降低人工投入 成本作为工作重点 致使农机与农艺工作分别进行 3 2 设施生菜生产过程装备技术研究薄弱 我国农业机械产业正在由高速增长向中速增长转 变 尚未形成完善的以信息技术为基础的全程机械化 技术模式和高度智能化的机器配置系统 1 设施生菜生产各装备长时间作业会因为关键部 件表面的光滑程度 磨损程度等因素 在运行过程中出 现死点 卡顿现象 另外 因装置设计的复杂特性 对于 磨损严重的关键部件 寿命较低 维修成本也相对较高 2 设施生菜的自动移栽取苗技术还处于研究阶 段 大部分装备取苗时会受夹持力影响 从而降低取苗 的成功率 除此之外 机械手入土位置及收缩拾取模 式对于保证基质块的完整性仍然存在不足 导致幼苗 根系损伤 成活率未能得到保障 3 设施生菜生产中的收获装备与包装装备 精准 定位技术尚不成熟 切割位置定位过高会导致收获损 失较大 定位偏低会导致切割阻力增大 刀片表面磨 损 关键部件使用寿命降低 同时 定位不精准也会导 致刀片切割时 刀刃长度不够 采收时切根失败或者包 装时割膜失败 4 设施生菜运输过程中 为保持生菜的新鲜度 包装时会对生菜进行一定的压缩 而目前我国缺乏对 生菜挤压特性的研究 导致包装装备方面的相关成果 缺乏 而且 针对运输过程中已经造成生菜损伤情况 的补救措施与装备使用情况的研究较少 除此之外 专门针对生菜的溯源系统不够完善 很少有这方面的 研究成果出现 5 播种时为保证种子出苗率需筛选种子活性 移 栽时为提高幼苗成活率需筛选幼苗的合格度 收获时 为识别生菜的合格率需筛选叶面积大小等 以上装备 的识别都需要用到图像处理技术 目前常见的是辣椒 与番茄的识别研究 而对于生菜装备的图像处理技术 应用研究非常少 4 设施生菜生产装备研究展望 随着我国设施农业的迅速发展 设施生菜的产量 质量 价值等方面要求也在不断提高 只有加快生产机 械化技术的创新 结合物联网 机器视觉 人工智能等 新一代信息技术手段 推动生产装备和技术向更高水 平发展 提高智能感知技术的精准度 可靠性和实时 性 更好地为自动调度提供强有力的技术支撑 因此 如何合理衔接各道工序 实现无间隙多岔口高效生产 大幅提高生菜生产效率 解决当前供需矛盾成为了近 几年农业信息化领域的热门研究课题 在未来的发展 方向主要表现在以下几个方面 1 设施生菜生产装备实现智能控制 趋向于全程 装备化 智能化 无人化方向发展 农业机器人集成的 传感器技术 检测技术 通信技术和精密机械技术等前 沿科学技术 能够更好地应用于设施生菜生产管理各 环节中 如智能喷药 智能监测实时数据 及时预警并 采取措施 自主采收 结合各环节生产装备能够更好地 实现增产 增收 2 设施生菜生产装备实现流水线作业 目前 设 施生菜生产各环节之间相互衔接功能还未达到要求 只停留在单个设备的自动控制中 在下一阶段的发展 中 应该加大力量开发各环节衔接作业装备 突破各阶 段间的机械控制设备的衔接算法 以形成流水线作业 模式 实现无间隙多岔口的高效生产 实现机械控制设 备系统的全自动化 3 生产管理过程由单一的信息系统向融合大数 据平台的方向不断演变 现阶段仅仅依靠单一的信息 技术并不能完全解决设施生菜生产面临的问题 而需 要大数据 专家系统 人工智能 机器视觉等综合性的 系统方法 实现设施生菜的生产管理一体化管控和智 能化控制 5 结束语 本文全面梳理了设施生菜从播种 种苗培育 幼苗 定植 田间管理到收获运输各个过程的作业装备应用 现状 并根据装备的使用情况总结出了现有装备的不 足 为提升我国设施生菜的生产效率和经济效益 加快 设施生菜生产过程朝着高效化 高质化 精准化 智能 化 无人化方向发展提供了有益借鉴 参 考 文 献 1 祁亚卓 相姝楠 国内外蔬菜播种机的研究现状与发展趋 势 J 中国农机化学报 2 0 2 0 4 1 1 2 0 5 2 0 8 Q i Y a z h u o X i a n g S h u n a n R e s e a r c h s t a t u s a n d d e v e l o p m e n t 第2期贾桃等 我国设施生菜无土生产装备研究现状及展望7 3 t r e n d o f v e g e t a b l e s e e d e r a t h o m e a n d a b r o a d J J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n 2 0 2 0 4 1 1 2 0 5 2 0 8 2 分子植物育种 编辑团队 生菜 J 分子植物育种 2 0 2 1 1 9 1 0 3 4 8 6 3 吴菊 王呈阳 赵会娟 物联网加主要叶菜砂培技术初 探 J 浙江农业科学 2 0 1 7 5 8 5 7 7 1 7 7 3 7 7 6 4 柴孟江 张熙烨 潘敏睿 等 温室智能大棚与精准灌溉物 联网调控系统 J 北方园艺 2 0 2 1 1 2 1 4 7 1 5 4 5 佟静 吴萍 季延海 等 叶用莴苣 生菜 单粒播种 一次 成苗穴盘育苗技术 J 中国蔬菜 2 0 1 9 9 9 9 1 0 0 6 廖庆喜 雷小龙 廖宜涛 等 油菜精量播种技术研究进 展 J 农业机械学报 2 0 1 7 4 8 9 1 1 6 L i a o Q i n g x i L e i X i a o l o n g L i a o Y i t a o e t a l R e s e a r c h p r o g r e s s o f p r e c i s i o n s e e d i n g f o r r a p e s e e d J T r a n s a c t i o n s o f t h e C h i n e s e S o c i e t y f o r A g r i c u l t u r a l M a c h i n e r y 2 0 1 7 4 8 9 1 1 6 7 雷小龙 杨文浩 杨龙君 等 油菜精量穴播集中排种装置 设计与试验 J 农业机械学报 2 0 2 0 5 1 2 5 4 6 4 L e i X i a o l o n g Y a n g W e n h a o Y a n g L o n g j u n e t a l D e s i g n a n d e x p e r i m e n t o f s e e d h i l l s e e d i n g c e n t r a l i z e d m e t e r i n g d e v i c e f o r r a p e s e e d J T r a n s a c t i o n s o f t h e C h i n e s e S o c i e t y f o r A g r i c u l t u r a l M a c h i n e r y 2 0 2 0 5 1 2 5 4 6 4 8 尚书旗 吴秀丰 杨然兵 等 小区育种播种装备与技术研 究现状与展望 J 农业机械学报 2 0 2 1 5 2 2 1 2 0 S h a n g S h u q i W u X i u f e n g Y a n g R a n b i n g e t a l R e s e a r c h s t a t u s a n d p r o s p e c t o f p l o t s o w i n g e q u i p m e n t a n d t e c h n o l o g y J T r a n s a c t i o n s o f t h e C h i n e s e S o c i e t y f o r A g r i c u l t u r a l M a c h i n e r y 2 0 2 1 5 2 2 1 2 0 9 杨昌敏 庄文化 徐一 等 蔬菜穴盘育苗精量播种机研 究 J 中国农机化学报 2 0 2 0 4 1 2 1 3 1 8 Y a n g C h a n g m i n Z h u a n g W e n h u a X u Y i e t a l S t u d y o n v e g e t a b l e t r a y p r e c i s i o n s e e d e r J J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n 2 0 2 0 4 1 2 1 3 1 8 1 0 马旭 谭永炘 齐龙 等 水稻秧盘育秧精密播种流水线 软硬秧盘自动叠放装置 J 农业机械学报 2 0 1 6 4 7 3 2 9 3 6 M a X u T a n Y o n g x i n Q i L o n g e t a l A u t o m a t i c t r a y s t a c k i n g d e v i c e f o r h a r d a n d s o f t t r a y o f r i c e p r e c i s i o n s e e d i n g f o r n u r s i n g s e e d l i n g s p i p e l i n e J T r a n s a c t i o n s o f t h e C h i n e s e S o c i e t y f o r A g r i c u l t u r a l M a c h i n e r y 2 0 1 6 4 7 3 2 9 3 6 1 1 王晨健 王琨琦 赵倩 等 生菜精量播种方法研究与装 备开发 J 中国农机化学报 2 0 1 9 4 0 1 0 8 2 8 7 W a n g C h e n j i a n W a n g K u n q i Z h a o Q i a n e t a l S t u d y o n t h e p r e c i s i o n s e e d i n g m e t h o d o f l e t t u c e a n d e q u i p m e n t d e v e l o p m e n t J J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n 2 0 1 9 4 0 1 0 8 2 8 7 1 2 曾山 文智强 刘伟健 等 气吸式小粒蔬菜种子精量穴 播排种器优化设计与试验 J 华南农业大学学报 2 0 2 1 4 2 6 5 2 5 9 Z e n g S h a n W e n Z h i q i a n g L i u W e i j i a n e t a l O p t i m a l d e s i g n a n d e x p e r i m e n t o f a i r s u c t i o n p r e c i s i o n h o l e s o w i n g s e e d m e t e r i n g d e v i c e f o r s m a l l g r a i n v e g e t a b l e s e e d J J o u r n a l o f S o u t h C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y 2 0 2 1 4 2 6 5 2 5 9 1 3 祁兵 孙旭亮 张文毅 等 气力集排式精量排种器内部 流场分析与试验研究 J 中国农机化学报 2 0 2 0 4 1 1 1 1 6 Q i B i n g S u n X u l i a n g Z h a n g W e n y i e t a l I n t e r n a l f l o w f i e l d a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t a l r